实现DES加解密算法实验报告

时间：2024.4.20

实现DES加解密算法实验报告

一、 DES加解密算法问题简介

DES算法全称为Data Encryption Standard，即数据加密算法，它是IBM公司于1975年研究成功并公开发表的。DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。其中Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据：Mode为DES的工作方式，有两种:加密或解密。

二、 DES加解密算法设计方法简介

DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块，它所使用的密钥也是64位,其功能是把输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0 、R0两部分，每部分各长32位，其置换规则见下表：

58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,

62,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,16,8,

57,49,41,33,25,17, 9,1,59,51,43,35,27,19,11,3,

61,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7,

即将输入的第58位换到第一位，第50位换到第2位，……，依此类推，最后一位是原来的第7位。 L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位，R0 是右32位，例：设置换前的输入值为D1D2D3……D64，则经过初始置换后的结果为：L0=D550……D8；R0=D57D49...D7。

经过26次迭代运算后，得到L16、R16，将此作为输入，进行逆置换，即得到密文输出。逆置换正好是初始置的逆运算，例如，第1位经过初始置换后，处于第40位，而通过逆置换，又将第40位换回到第1位，其逆置换规则如下表所示：

40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31,

38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29,

36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11,51,19,59,27,

34,2,42,10,50,18,58 26,33,1,41, 9,49,17,57,25,

放大换位表

32, 1, 2, 3, 4, 5, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 8, 9, 10,11,

12,13,12,13,14,15,16,17,16,17,18,19,20,21,20,21,

22,23,24,25,24,25,26,27,28,29,28,29,30,31,32, 1,

单纯换位表

16,7,20,21,29,12,28,17, 1,15,23,26, 5,18,31,10,

2,8,24,14,32,27, 3, 9,19,13,30, 6,22,11, 4,25,

在f(Ri,Ki)算法描述图中，S1,S2...S8为选择函数，其功能是把6bit数据变为4bit数据。下面给出选择函数Si(i=1,2......8)的功能表：

选择函数Si

S1:

14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7,

0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8,

4,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,0,

15,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13,

S2:

15,1,8,14,6,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,10,

3,13,4,7,15,2,8,14,12,0,1,10,6,9,11,5,

0,14,7,11,10,4,13,1,5,8,12,6,9,3,2,15,

13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9,

S3:

10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8,

13,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,1,

13,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,7,

1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12,

S4:

7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15,

13,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,9,

10,6,9,0,12,11,7,13,15,1,3,14,5,2,8,4,

3,15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14,

S5:

2,12,4,1,7,10,11,6,8,5,3,15,13,0,14,9,

14,11,2,12,4,7,13,1,5,0,15,10,3,9,8,6,

4,2,1,11,10,13,7,8,15,9,12,5,6,3,0,14,

11,8,12,7,1,14,2,13,6,15,0,9,10,4,5,3,

S6:

12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11,

10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8,

9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6,

4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13,

S7:

4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,1,

13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6,

1,4,11,13,12,3,7,14,10,15,6,8,0,5,9,2,

6,11,13,8,1,4,10,7,9,5,0,15,14,2,3,12,

S8:

13,2,8,4,6,15,11,1,10,9,3,14,5,0,12,7,

1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,11,0,14,9,2,

7,11,4,1,9,12,14,2,0,6,10,13,15,3,5,8,

2,1,14,7,4,10,8,13,15,12,9,0,3,5,6,11,

子密钥Ki(48bit)的生成算法

初始Key值为64位，但DES算法规定，其中第8、16、......64位是奇偶校验位，不参与DES运算。故Key 实际可用位数便只有56位。即：经过缩小选择换位表1的变换后，Key 的位数由64 位变成了56位，此56位分为C0、D0两部分，各28位，然后分别进行第1次循环左移，得到C1、D1，将C1（28位）、D1（28位）合并得到56位，再经过缩小选择换位2，从而便得到了密钥K0（48位）。依此类推，便可得到K1、K2、......、K15，不过需要注意的是，16次循环左移对应的左移位数要依据下述规则进行：循环左移位数1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1

以上介绍了DES算法的加密过程。 DES算法的解密过程是一样的，区别仅仅在于第一次迭代时用子密钥K15，第二次K14、……，最后一次用K0，算法本身并没有任何变化。

三、 程序代码

#include "memory.h"

#include "stdio.h"

enum {encrypt,decrypt};//ENCRYPT:加密，DECRYPT：解密

void des_run(char out[8],char in[8],bool type=encrypt);

//设置密钥

void des_setkey(const char key[8]);

static void f_func(bool in[32],const bool ki[48]);//f函数

static void s_func(bool out[32],const bool in[48]);//s盒代替

//变换

static void transform(bool *out, bool *in, const char *table, int len);

static void xor(bool *ina, const bool *inb, int len);//异或

static void rotatel(bool *in, int len, int loop);//循环左移

//字节组转换成位组

static void bytetobit(bool *out,const char *in, int bits);

//位组转换成字节组

static void bittobyte(char *out, const bool *in, int bits);

//置换IP表

const static char ip_table[64]={58,50,42,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,62,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,16,8,57,49,41,33,25,17,9,1,59,51,43,35,27,19,11,3,61,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7};

//逆置换IP-1表

const static char ipr_table[64]={40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31,38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29,36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11, 51,19,59,27,34,2,42,10,50,18,58,26,33,1,41,9,49,17,57,25};

//E 位选择表

static const char e_table[48]={32,1, 2, 3, 4, 5,4, 5, 6, 7, 8, 9,8, 9, 10,11,12,13,12,13,14,15,16,17,16,17,18,19,20,21,20,21,22,23,24,25,24,25,26,27,28,29,28,29,30,31,32,1};

//P换位表

const static char p_table[32]={16,7,20,21,29,12,28,17,1,15,23,26,5,18,31,10,2,8,24,14,32,27,3,9,19,13,30,6,22,11,4,25};

//pc1选位表

const static char pc1_table[56]={

57,49,41,33,25,17,9,1,

58,50,42,34,26,18,10,2,

59,51,43,35,27,19,11,3,

60,52,44,36,63,55,47,39,

31,23,15,7,62,54,46,38,

30,22,14,6,61,53,45,37,

29,21,13,5,28,20,12,4

};

//pc2选位表

const static char pc2_table[48]={

14,17,11,24,1,5,3,28,

15,6,21,10,23,19,12,4,

26,8,16,7,27,20,13,2,

41,52,31,37,47,55,30,40,

51,45,33,48,44,49,39,56,

34,53,46,42,50,36,29,32

};

//左移位数表

const static char loop_table[16]={1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};

//S盒

const static char s_box[8][4][16]={

//s1

14, 4, 13, 1, 2, 15, 11, 8, 3, 10, 6, 12, 5, 9, 0, 7,

0, 15, 7, 4, 14, 2, 13, 1, 10, 6, 12, 11, 9, 5, 3, 8,

4, 1, 14, 8, 13, 6, 2, 11, 15, 12, 9, 7, 3, 10, 5, 0,

15, 12, 8, 2, 4, 9, 1, 7, 5, 11, 3, 14, 10, 0, 6, 13,

//s2

15, 1, 8, 14, 6, 11, 3, 4, 9, 7, 2, 13, 12, 0, 5, 10,

3, 13, 4, 7, 15, 2, 8, 14, 12, 0, 1, 10, 6, 9, 11, 5,

0, 14, 7, 11, 10, 4, 13, 1, 5, 8, 12, 6, 9, 3, 2, 15,

13, 8, 10, 1, 3, 15, 4, 2, 11, 6, 7, 12, 0, 5, 14, 9,

//s3

10, 0, 9, 14, 6, 3, 15, 5, 1, 13, 12, 7, 11, 4, 2, 8,

13, 7, 0, 9, 3, 4, 6, 10, 2, 8, 5, 14, 12, 11, 15, 1,

13, 6, 4, 9, 8, 15, 3, 0, 11, 1, 2, 12, 5, 10, 14, 7,

1, 10, 13, 0, 6, 9, 8, 7, 4, 15, 14, 3, 11, 5, 2, 12,

//s4

7, 13, 14, 3, 0, 6, 9, 10, 1, 2, 8, 5, 11, 12, 4, 15,

13, 8, 11, 5, 6, 15, 0, 3, 4, 7, 2, 12, 1, 10, 14, 9,

10, 6, 9, 0, 12, 11, 7, 13, 15, 1, 3, 14, 5, 2, 8, 4,

3, 15, 0, 6, 10, 1, 13, 8, 9, 4, 5, 11, 12, 7, 2, 14,

//s5

2, 12, 4, 1, 7, 10, 11, 6, 8, 5, 3, 15, 13, 0, 14, 9,

14, 11, 2, 12, 4, 7, 13, 1, 5, 0, 15, 10, 3, 9, 8, 6,

4, 2, 1, 11, 10, 13, 7, 8, 15, 9, 12, 5, 6, 3, 0, 14,

11, 8, 12, 7, 1, 14, 2, 13, 6, 15, 0, 9, 10, 4, 5, 3,

//s6

12, 1, 10, 15, 9, 2, 6, 8, 0, 13, 3, 4, 14, 7, 5, 11,

10, 15, 4, 2, 7, 12, 9, 5, 6, 1, 13, 14, 0, 11, 3, 8,

9, 14, 15, 5, 2, 8, 12, 3, 7, 0, 4, 10, 1, 13, 11, 6,

4, 3, 2, 12, 9, 5, 15, 10, 11, 14, 1, 7, 6, 0, 8, 13,

//s7

4, 11, 2, 14, 15, 0, 8, 13, 3, 12, 9, 7, 5, 10, 6, 1,

13, 0, 11, 7, 4, 9, 1, 10, 14, 3, 5, 12, 2, 15, 8, 6,

1, 4, 11, 13, 12, 3, 7, 14, 10, 15, 6, 8, 0, 5, 9, 2,

6, 11, 13, 8, 1, 4, 10, 7, 9, 5, 0, 15, 14, 2, 3, 12,

//s8

13, 2, 8, 4, 6, 15, 11, 1, 10, 9, 3, 14, 5, 0, 12, 7,

1, 15, 13, 8, 10, 3, 7, 4, 12, 5, 6, 11, 0, 14, 9, 2,

7, 11, 4, 1, 9, 12, 14, 2, 0, 6, 10, 13, 15, 3, 5, 8,

2, 1, 14, 7, 4, 10, 8, 13, 15, 12, 9, 0, 3, 5, 6, 11

};

static bool subkey[16][48];//16圈子密钥

void des_run(char out[8],char in[8], bool type)

{

static bool m[64],tmp[32],*li=&m[0], *ri=&m[32];

bytetobit(m,in,64);

transform(m,m,ip_table,64);

if(type==encrypt){

for(int i=0;i<16;i++){

memcpy(tmp,ri,32);

f_func(ri,subkey[i]);

xor(ri,li,32);

memcpy(li,tmp,32);

}

}else{

for(int i=15;i>=0;i--){

memcpy(tmp,li,32);

f_func(li,subkey[i]);

xor(li,ri,32);

memcpy(ri,tmp,32);

}

transform(m,m,ipr_table,64);

bittobyte(out,m,64);

}

void des_setkey(const char key[8])

{

static bool k[64], *kl=&k[0], *kr=&k[28];

bytetobit(k,key,64);

transform(k,k,pc1_table,56);

for(int i=0;i<16;i++)

{

rotatel(kl,28,loop_table[i]);

rotatel(kr,28,loop_table[i]);

transform(subkey[i],k,pc2_table,48);

}

void f_func(bool in[32],const bool ki[48])

{

static bool mr[48];

transform(mr,in,e_table,48);

xor(mr,ki,48);

s_func(in,mr);

transform(in,in,p_table,32);

}

void s_func(bool out[32],const bool in[48])

{

for(char i=0,j,k;i<8;i++,in+=6,out+=4)

{

j=(in[0]<<1)+in[5];

k=(in[1]<<3)+(in[2]<<2)+(in[3]<<1)+in[4];

bytetobit(out,&s_box[i][j][k],4);

}

void transform(bool *out,bool *in,const char *table,int len)

{

static bool tmp[256];

for(int i=0;i<len;i++)

tmp[i]=in[table[i]-1];

memcpy(out,tmp,len);

}

void xor(bool *ina,const bool *inb,int len)

{

for(int i=0;i<len;i++)

ina[i]^=inb[i];

}

void rotatel(bool *in,int len,int loop)

{

static bool tmp[256];

memcpy(tmp,in,loop);

memcpy(in,in+loop,len-loop);

memcpy(in+len-loop,tmp,loop);

}

void bytetobit(bool *out,const char *in,int bits)

{

for(int i=0;i<bits;i++)

out[i]=(in[i/8]>>(i%8)) &1;

}

void bittobyte(char *out,const bool *in,int bits)

{

memset(out,0,(bits+7)/8);

for(int i=0;i<bits;i++)

out[i/8]|=in[i]<<(i%8);

}

void main()

{

char key[8]={'p','r','o','g','r','a','m'},str[8];

puts("*****************DES***********************");

printf("\n");

puts("请输入；");

gets(str);

printf("\n");

puts("****************************************");

des_setkey(key);

des_run(str,str,encrypt);

puts("加密后:");

puts(str);

printf("\n");

puts("****************************************");

puts("解密后:");

des_run(str,str,decrypt);

puts(str);

printf("\n");

puts("****************************************");

printf("\n");

}

四、 算法介绍

DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。其中Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式，有两种：加密或解密。

DES算法是这样工作的：如Mode为加密，则用Key 去把数据Data进行加密，生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果；如Mode为解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64位）作为DES的输出结果。在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。

五、 实验数据

输入数字：1357

六、 实验结果

七、 实验体会

本学期的实验上机课对我来说最大的体会就是了解了DES算法，大致了解了它的基本原理，在编写的过程中虽然遇到了很多的错误，但是最后也在自己的反复检查、修改后将程序实现了。我想这就是对我来说最有成就感的事情。

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